TRIP鋼無縫管的開發(fā)及其成形性分析

張自成 ，朱伏先

（1.東北大學現(xiàn)代設計與分析研究所，沈陽 110819；2.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110819；3.東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

TRIP鋼無縫管的開發(fā)及其成形性分析

張自成1，2，朱伏先3

（1.東北大學現(xiàn)代設計與分析研究所，沈陽 110819；2.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110819；3.東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

本文首次將趨于成熟的相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）生產(chǎn)技術(shù)應用到鋼管的生產(chǎn)領域，以冷拔鋼管為原料，分別利用兩階段熱處理和連續(xù)熱處理兩種方式成功開發(fā)出具有鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體組織的薄壁TRIP鋼無縫管，并利用環(huán)形拉伸以及冷彎等試驗手段對其成形性能進行了試驗研究。研究結(jié)果表明，TRIP鋼無縫管具有較好的冷成形性能，可以在內(nèi)高壓成形等領域推廣應用。另外，課題組開發(fā)的連續(xù)熱處理設備完全可以用來生產(chǎn)TRIP鋼管，為未來工業(yè)生產(chǎn)提供了重要參考。

TRIP鋼；熱處理；成形性能；鋼管；微觀組織

1 前言

最近30年內(nèi)，汽車工業(yè)在中國迅猛發(fā)展，推動了整個汽車用鋼行業(yè)的快速發(fā)展。高強塑性鋼材在汽車制造領域占有很大比例，一直是此領域的研究熱點。近年來，為了在不降低汽車安全性的前提下減輕汽車質(zhì)量和提高汽車燃油效率，提出了汽車輕量化技術(shù)。汽車輕量化技術(shù)進一步推動了高強塑性鋼材和先進金屬成形技術(shù)，比如管材內(nèi)高壓成形等技術(shù)在汽車制造領域的應用與發(fā)展。內(nèi)高壓成形工藝可以用來制造強度高、質(zhì)量輕的中空零件，利用這些高強度的空心零件代替實心零件，在不降低汽車安全性的同時能顯著降低汽車的車身質(zhì)量[1]。目前，在西方發(fā)達國家，利用內(nèi)高壓成形工藝制造的汽車零件已經(jīng)成功應用到了寶馬、奔馳等著名品牌汽車的生產(chǎn)制造上[2，3]。但是由于目前使用的材料強度普遍較低，而高強度材料的內(nèi)高壓成形性能往往較差，所以內(nèi)高壓成形件在各制造領域的大面積推廣受到了一定的限制。為了擴大內(nèi)高壓成形件的應用范圍，同時具有高強度和高塑性的新型材料及與其對應的內(nèi)高壓成形工藝的開發(fā)已迫在眉睫。

相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）作為一種高強度、高塑性鋼，在最近幾十年一直是眾多學者的研究熱點之一。TRIP鋼板已經(jīng)被成功應用于制造汽車、造船等領域。利用TRIP鋼制造出的汽車底盤不僅具有很高的強度，還可以顯著減輕整車質(zhì)量。另外，由于TRIP鋼在塑性變形時會發(fā)生相變而吸收大量的能量，所以利用TRIP鋼制造的汽車保險杠能夠在汽車發(fā)生碰撞時因吸收大量的能量而降低碰撞產(chǎn)生的破壞，顯著提高了汽車安全性[4～6]。縱觀有關TRIP鋼的研究成果，眾多學者都把研究重點放到了TRIP鋼板的研究上[7～14]，而將TRIP鋼應用到鋼管領域的報道卻很少。本文將趨于成熟的TRIP鋼制造技術(shù)初次引入鋼管的制造領域，利用穿孔、冷板和熱處理工藝成功制備出具有鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體的TRIP鋼無縫管。為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率，開發(fā)出管材連續(xù)熱處理工藝和設備。通過對連續(xù)熱處理技術(shù)開發(fā)的TRIP鋼管材微觀組織和力學性能的研究發(fā)現(xiàn)，利用連續(xù)熱處理技術(shù)開發(fā)的TRIP鋼管具有良好的微觀組織結(jié)構(gòu)和綜合力學性能。

2 TRIP鋼管的開發(fā)

本文采用冷拔無縫管為原料，利用兩階段熱處理工藝制備TRIP鋼管。為了確定最佳熱處理感應制度，首先通過電阻爐和鹽浴爐（50%NaNO3＋50%KNO3）對鋼管試樣（外徑×厚×長=43 mm×2 mm×200 mm）進行兩階段熱處理，以得到最佳的熱處理工藝參數(shù)。然后利用兩階段熱處理得到的最佳工藝參數(shù)在新開發(fā)出的管材連續(xù)熱處理設備上進行管材連續(xù)熱處理，連續(xù)熱處理所用管材的尺寸為外徑×厚×長=43 mm×2 mm×1 000 mm，并分別對兩種方式所得到的TRIP鋼管材進行微觀組織和力學性能分析。

2.1 利用兩階段熱處理制備TRIP鋼管

在ISO-E460CC鋼種化學成分的基礎上通過調(diào)整不同元素的含量設計出適合生產(chǎn)TRIP鋼的化學成分，如表1所示。其熱膨脹曲線如圖1所示，根據(jù)熱膨脹曲線確定的相變溫度Ac1和Ac3分別為728℃和891℃，材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS為403℃。根據(jù)設計的化學成分，經(jīng)小爐冶煉、鍛造、穿孔，然后冷拔成?43 mm×1.5 mm的管坯。采用兩階段（臨界等溫退火（IA）和貝氏體區(qū)等溫淬火（IBT））熱處理工藝來獲得含有鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體的復相TRIP鋼管組織，熱處理工藝如圖2所示。IBT工藝對獲得大量穩(wěn)定的殘余奧氏體尤為重要，因此為了得到較高的殘余奧氏體體積分數(shù)和成形性能良好的TRIP鋼無縫管，設計了如表2所示的7種不同的熱處理工藝，并利用光學顯微鏡、透射電子顯微鏡（TEM）和環(huán)形拉伸[15]等設備研究了不同貝氏體等溫淬火條件對管材的微觀組織和力學性能的影響。

表1 鋼管的化學成分Table 1 Chemical composition of steel tube

圖1 鋼管的熱膨脹曲線Fig.1 Thermal expansion curves of steel tube

圖2 兩階段熱處理工藝示意圖Fig.2 Two-stage heat treatment technology

表2 兩階段熱處理工藝參數(shù)Table 2 Two-stage heat treatment process for steel tube

2.2 利用連續(xù)熱處理制備TRIP鋼管

為了實現(xiàn)TRIP鋼管的連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，課題組設計開發(fā)了管材連續(xù)熱處理設備，如圖3所示。參照兩階段熱處理工藝，將設定成分的冷拔無縫鋼管應用于實驗室自行設計的中頻感應熱處理設備進行在線退火處理。用中頻感應加熱取代傳統(tǒng)的燃氣或電阻爐加熱，能夠克服非工作狀態(tài)時燃氣加熱或電阻爐加熱不能停爐的缺點，可以根據(jù)試驗條件和節(jié)奏變化啟停并實現(xiàn)加熱過程的自動化控制，從而提高生產(chǎn)效率。連續(xù)熱處理工藝根據(jù)兩階段熱處理工藝流程表2中編號3的熱處理工藝制定，不同的是IA均熱時間和IBT等溫時間分別設定為11 s和18 s。表3為不同條件下實測的工藝參數(shù)。

圖3 管材連續(xù)熱處理設備示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of equipment of continuous heat treatment process

表3 實測工藝參數(shù)Table 3 Measured process parameters

2.3 TRIP鋼管的周向力學性能和成形性能研究

2.3.1 兩階段熱處理后鋼管的微觀組織及周向力學性能

貝氏體等溫淬火時間對貝氏體區(qū)相變動力有著重要影響，進而影響奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變過程及碳向殘余奧氏體的第二次富集過程。為了區(qū)分微觀組織中的鐵素體、殘余奧氏體和馬氏體，利用熱染的方法對熱處理后鋼管的金相試樣進行了著色，如圖4所示，褐色或米黃色的為鐵素體，紫色的為殘余奧氏體，藍色的為馬氏體。由圖4可以看出，熱處理后管材的顯微組織主要由鐵素體、貝氏體和顆粒狀的殘余奧氏體組成。從鋼管不同等溫淬火時間對應的顯微組織可以看出，隨著時間的增加，鐵素體晶粒有增大的趨勢，并且組織中鐵素體的體積分數(shù)也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。IBT時間對殘余奧氏體的含量及穩(wěn)定性有著重要影響。殘余奧氏體決定著TRIP鋼變形時的TRIP效應，眾多研究者認為[16～18]，殘余奧氏體的體積含量越高、越穩(wěn)定，越有利于TRIP效應的發(fā)揮，而馬氏體會惡化TRIP效應。這是由于馬氏體較硬，在變形過程中應變會通過馬氏體傳遞到殘余奧氏體，使其過早地發(fā)生相變而轉(zhuǎn)化為馬氏體，不利于TRIP效應。

圖4 貝氏體區(qū)等溫淬火時間對鋼管顯微組織的影響Fig.4 Effect of isothermal bainitic holding time on the microstructure of steel tube

當貝氏體等溫淬火時間為2 min時，微觀組織中出現(xiàn)了大量的馬氏體，如圖4a所示，隨著等溫時間的增加，馬氏體含量逐漸減少。當?shù)葴貢r間為4 min時，微觀組織中的殘余奧氏體最多，隨著時間的增加反而有減少的趨勢，如圖4b～圖4d所示。正如前面的分析結(jié)果，IBT時間對等溫退火時生成的多邊形鐵素體的影響并不明顯，僅對奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變過程中生成的鐵素體有著顯著影響。

圖5是鋼管熱處理后的TEM組織，其組織同樣是由鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體組成，通過電子衍射花樣可以確定組織中殘余奧氏體的存在（見圖5b）。從圖5a可以看出，部分殘余奧氏體呈島狀分布于貝氏體、鐵素體的內(nèi)部，或者貝氏體、鐵素體的晶界處。少量馬氏體呈現(xiàn)與殘余奧氏體類似的分布，同時，部分馬氏體分布于鐵素體的晶界處。馬氏體是由貝氏體等溫淬火后不穩(wěn)定的殘余奧氏體在冷卻至室溫時轉(zhuǎn)化而來的。另外，在圖5a和圖5d中貝氏體、鐵素體和多邊形鐵素體中均發(fā)現(xiàn)有大量位錯存在，位錯的存在對強化鐵素體基體有一定作用。在多邊形鐵素體的內(nèi)部可以看到沉淀的碳化物（見圖5d）。

圖5 熱處理后鋼管的TEM組織和電子衍射花樣Fig.5 TEM micrographs and selected area electron diffraction patterns of heat treated steel tube

表4所示為利用環(huán)形拉伸試驗測定的不同熱處理條件下的各鋼管試樣的周向力學性能。由表4可以看出，各鋼管試樣的周向抗拉強度≥600 MPa，延伸率≥25%，其中延伸率最大值為31.2%，表明它們在周向具有良好的塑性；它們的周向應變硬化系數(shù)K均超過1 000 MPa，應變硬化指數(shù)n也均超過0.3，表明各鋼管周向變形時具有很好的形變強化能力。

表4 熱處理后各鋼管的周向力學性能Table 4 Circumferential mechanical properties of heat treated steel tubes

2.3.2 連續(xù)熱處理后鋼管的微觀組織及周向力學性能

圖6為鋼管經(jīng)連續(xù)熱處理后試樣的金相組織，可以看出，中頻感應加熱熱處理使試樣基體內(nèi)的帶狀組織消失，基體內(nèi)為多邊形鐵素體和晶粒細小的均勻分布于鐵素體晶界的第二相組織，這個第二相可能為貝氏體相和馬奧島，并且每次中頻感應淬火處理后的試樣金相組織基本相同。與圖4b比較發(fā)現(xiàn)，中頻感應熱處理得到的基體組織中的鐵素體較鹽浴處理得到的鐵素體要小，這可能是中頻感應熱處理的加熱速度更高、保溫時間更短的原因所致。

圖7所示為連續(xù)熱處理后試樣的TEM組織和電子衍射花樣。電子衍射花樣進一步證實了殘余奧氏體的存在。同時還可以看出，殘余奧氏體以不同形態(tài)分布在基體的各種位置，有分布在貝氏體板條間的殘余奧氏體，見圖7a；有分布在貝氏體和鐵素體的界面處的殘余奧氏體，見圖7a中的箭頭所示；有分布在鐵素體晶界處的殘余奧氏體，見圖7d。也有少量的殘余奧氏體以不同形態(tài)分布在鐵素體晶粒內(nèi)部，有的呈現(xiàn)塊狀形態(tài)，見圖7g。

圖6 熱處理后試樣的金相組織Fig.6 Micrographs of heat treated samples

圖7 連續(xù)熱處理后試樣的TEM組織和電子衍射花樣Fig.7 TEM micrographs and selected area electron diffraction patterns of heat treated samples

為了研究連續(xù)熱處理得到的管材的成形性能，對熱處理后的試樣進行了冷彎變形研究，圖8為熱處理后的鋼管進行冷彎變形后的圖片，在變形區(qū)p點取試樣來進行金相顯微分析和TEM分析。從圖8a中可以看出，材料在進行冷彎變形后，在截面和彎曲最嚴重的部位均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，從圖8b中可以明顯地看出在變形區(qū)內(nèi)基體中的鐵素體晶粒沿變形方向發(fā)生了嚴重的變形。這說明研究開發(fā)的TRIP鋼管具有優(yōu)良的冷成形性能，適用于冷彎成形、內(nèi)高壓成形制造各類輕型薄壁、中空的高強汽車零部件，還有望在抗大變形管線鋼和高強建筑鋼結(jié)構(gòu)等眾多領域中得到推廣應用。

圖8 試制管材的冷彎成形實例（a）及變形區(qū)p點的金相顯微像（b）Fig.8 Cold rolled forming examples（a）and optical micrograph（b）of deformed tube at p position

3 結(jié)語

為了制備出高強塑性金屬管材，本文首次將趨于成熟的TRIP鋼技術(shù)引入鋼管的生產(chǎn)領域，以冷拔鋼管為原料，使用兩階段熱處理和在線熱處理兩種方式，成功制備出具薄壁TRIP鋼無縫管，并對其成形性能進行了研究，得出如下結(jié)論。

1）利用兩階段熱處理成功制備出抗拉強度為608 MPa，屈服強度為320 MPa和延伸率高達31.2%的TRIP鋼無縫管。

2）連續(xù)熱處理后的鋼管具有典型的TRIP組織，通過冷彎變形試驗研究發(fā)現(xiàn)，該鋼管具有良好的冷成形性能，適用于冷彎成形、內(nèi)高壓成形制造各類輕型薄壁、高強汽車零部件。

3）新開發(fā)的連續(xù)熱處理設備完全可以用于制造TRIP鋼無縫管，為未來的工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要參考。

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Development and formability analysis of TRIP seamless steel tube

Zhang Zicheng1，2，Zhu Fuxian3
（1.Modern Design and Analysis Institute，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 100819，China；3.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

In the present study，the production technology of transformation induced plasticity（TRIP）steel was firstly introduced in the steel tube manufacture field.The TRIP steel tubes with a microstructure of ferrite，bainite，retained austenite and a little martensite were successfully fabricated with both of the two-stage heat treatment technique and continuous heat treatment technique using a cold drawn steel tube.The ring tensile test and cold bending process were carried out to study the formability of the newly developed TRIP seamless steel tube.The results showed that the TRIP seamless steel tubes have a good cold formability，and they are available to be used in the tube hydroforming process.In addition，the equipment of continuous heat treatment developed in the current study can be used to produce TRIP steel tube and it may serve as an important reference for the industrial production of TRIP steel tube.

TRIP steel；heat treatment；formability；steel tube；microstructure

TG142.1

A

1009-1742（2014）02-0046-07

2013-10-12

東北大學引進人才啟動資金項目（02080021233061）

張自成，1981年出生，男，河南淮陽縣人，博士，副教授，主要從事管材成形和高強塑性鋼材的開發(fā)以及金屬微觀成形等研究工作；E-mail：zhangzicheng2004@126.com